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第5章习题参考答案第5章习题参考答案1请在括号内填入适当答案。在CPU中:(1)保存当前正在执行的指令的寄存器是( IR );(2)保存当前正在执行的指令地址的寄存器是( AR )(3)算术逻辑运算结果通常放在( DR )和( 通用寄存器 )。2参见图5.15的数据通路。画出存数指令“STO Rl,(R2)”的指令周期流程图,其含义是将寄存器Rl的内容传送至(R2)为地址的主存单元中。标出各微操作信号序列。解:STO R1, (R2)的指令流程图及为操作信号序列如下:3参见图5.15的数据通路,画出取数指令“LAD (R3),R0”的指令周期流程图,其含义是将(R3)为地址主存单元的内容取至寄存器R2中,标出各微操作控制信号序列。解:LAD R3, (R0)的指令流程图及为操作信号序列如下:4假设主脉冲源频率为10MHz,要求产生5个等间隔的节拍脉冲,试画出时序产生器的逻辑图。解:5如果在一个CPU周期中要产生3个节拍脉冲;Tl200ns,T2=400ns,T3=200ns,试画出时序产生器逻辑图。解:取节拍脉冲Tl、T2、T3的宽度为时钟周期或者是时钟周期的倍数即可。所以取时钟源提供的时钟周期为200ns,即,其频率为5MHz.;由于要输出3个节拍脉冲信号,而T3的宽度为2个时钟周期,也就是一个节拍电位的时间是4个时钟周期,所以除了C4外,还需要3个触发器Cl、C2、C3;并令;,由此可画出逻辑电路图如下:6假设某机器有80条指令,平均每条指令由4条微指令组成,其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位,请估算控制存储器容量。解:80条指令,平均每条指令由4条微指令组成,其中有一条公用微指令,所以总微指令条数为80 (4-1)+1=241条微指令,每条微指令32位,所以控存容量为:24132位7某ALU器件是用模式控制码M S3 S2 S1 C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。下表列出各条指令所要求的模式控制码,其中y为二进制变量,为0或l任选。 试以指令码(A,B,H,D,E,F,G)为输入变量,写出控制参数M,S3,S2,Sl,C的逻辑表达式。指令码MS3S2S1CA, BH, DEFG0000101010111111001101y yf解:由表可列如下逻辑方程M=GS3=H+D+FS2=A+B+D+H+E+F+GS1=A+B+F+GC=H+D+Ey+Fy8某机有8条微指令I1I8,每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。aj分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段仅限为8位,请安排微指令的控制字段格式。微指令abcdefghijI1I2I3I4I5I6I7I8解:因为有10种不同性质的微命令信号,如果采用直接表示法则需要10位控制字段,现控制字段仅限于8位,那么,为了压缩控制字段的长度,必须设法把一个微指令周期中的互斥性微命令组合在一个小组中,进行分组译码。经分析,(e,f,h)和(b,i,j)、或(d,i,j)和(e,f,h)、或(g,b,j)和(i,f,h)均是不可能同时出现的互斥信号,所以可将其通过2:4译码后输出三个微命令信号(00表示该组所有的微命令均无效),而其余四个微命令信号用直接表示方式。因此可用下面的格式安排控制字段。e f hb i j a c d gX XX X或:e f hd i j a b c gX XX X或:f h ib g j a c d eX XX X9微地址转移逻辑表达式如下: A8 = P1IR6T4 A7 = P1IR5T4 A6 = P2CT4其中A8A6为微地址寄存器相应位,P1和P2为判别标志,C为进位标志,IR5和IR6为指令寄存器的相应位,T4为时钟周期信号。说明上述逻辑表达式的含义,画出微地址转移逻辑图。解: A8 = P1IR6T4 表示微地址的第8位在P1有效时,用IR6设置 A7 = P1IR5T4 表示微地址的第7位在P1有效时,用IR5设置 A6 = P2CT4 表示微地址的第6位在P2有效时,用进位标志C设置,地址转移逻辑图如下: 10某计算机有如下部件,ALU,移位器,主存M,主存数据寄存器MDR,主存地址寄存器MAR,指令寄存器IR,通用寄存器R0R3,暂存器C和D。 (1)请将各逻辑部件组成一个数据通路,并标明数据流动方向。(2)画出“ADD R1,R2”指令的指令周期流程图。解:(1) 设该系统为单总线结构,暂存器C和D用于ALU的输入端数据暂存,移位器作为ALU输出端的缓冲器,可对ALU的运算结果进行附加操作,则数据通路可设计如下:(2) 根据上面的数据通路,可画出“ADD R1,R2”(设R1为目的寄存器)的指令周期流程图如下:11已知某机采用微程序控制方式,控存容量为512*48位。微程序可在整个控存中实现转移,控制微程序转移的条件共4个,微指令采用水平型格式,后继微指令地址采用断定方式。请问; (1)微指令的三个字段分别应为多少位? (2)画出对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。解:(1) 因为容量为512*48位,所以下址字段需用9位,控制微程序转移的条件有4个,所以判别测试字段需4位或(3位译码),因此操作控制字段的位数48-9-4=35位(或48-9-3=36位)(2)微程序控制器逻辑框图参见教材P.147图5.23控制存储器地址译码微地址寄存器OPP字段 控制字段地址转移逻辑状态条件指令寄存器IR微命令信号 微命令寄存器12今有4级流水线,分别完成取指、指令译码并取数、运算、送结果四步操作。今假设完成各步 操作的时间依次为100ns,100ns,80ns,50ns。请问; (1)流水线的操作周期应设计为多少? (2)若相邻两条指令发生数据相关,而且在硬件上不采取措施,那么第2条指令要推迟多少时间进行? (3)如果在硬件设计上加以改进,至少需推迟多少时间?答:(1) 流水操作周期为max(100,100,80,50)=100ns(2)若相邻两条指令发生数据相关,而且在硬件上不采取措施,那么在第1条指令“送结果”步骤完成后,第2条指令的“取数”步骤才能开始,也就是说,第2条指令要推迟两个操作周期,即200ns才能进行。(3) 如果在硬件设计上加以改进,采用定向传送的技术,则只要第1条指令完成“运算”的步骤,第2条指令就可以“取数”了,因此至少需推迟100ns。13指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)五个过程段,共有20条指令连续输入此流水线。 (1)画出流水处理的时空图,假设时钟周期为100ns。 (2)求流水线的实际吞吐率(单位时间里执行完毕的指令数)。 (3)求流水线的加速比。解:(1) 流水处理的空图如下,其中每个流水操作周期为100ns:空间SI1I2I15I16I17I18I19I20WBI1I2I15I16I17I18I19I20MEMI1I2I3I16I17I18I19I20EXI1I2I3I4I17I18I19I20IDI1I2I3I4I5I18I19I20IFI1I2I3I4I5I6I19I20123456192021222324时间T(2) 流水线的实际吞吐量:执行20条指令共用5+119=24个流水周期,共2400ns,所以实际吞吐率为:(3) 流水线的加速比为 : 设流水线操作周期为, 则n指令串行经过k个过程段的时间为n*k* ; 而n条指令经过可并行的k段流水线时所需的时间为(k+n-1)*; 故20条指令经过5个过程段的加速比为: 14用时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。解:设流水计算机的指令流水线分为4个过程段:IF、ID、EX、WB,则流水计算机的时空图如下:空间SI1I2I3I4I5WBI1I2I3I4I5EXI1I2I3I4I5I6IDI1I2I3I4I5I6I7IFI1I2I3I4I5I6I7I812345678时间T非流水计算机的时空图:空间SI1I2WBI1I2EXI1I2IDI1I2IFI1I212345678时间T由图中可以看出,同样的8个操作周期内,流水计算机执行完了5条指令,而非流水计算机只执行完了2条指令;由此,可看出流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。15用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。证明:设流水计算机具有k级流水线,每个操作周期的时间为t,执行n条指令的时间为:;吞吐率为:而非流水计算机,执行n条指令的时间为:;吞吐率为:当n=1时,;当n1时,即:流水计算机具有更高的吞吐率。16判断以下三组指令中各存在哪种类型的数据相关? (1) I1 LAD R1,A ; M(A)R1,M(A)是存储器单元 I2 ADD R2,Rl ; (R2)+(R1)R2 (2) I1 ADD R3,R4 ; (R3)+(R4)R3 I2 MUL R4,R5 ; (R4)(R5)R4 (3) I1 LAD R6,B ; M(B)R6,M(B)是存储器单元I2 MUL R6,R7 ; (R6) (R7)R6解:(1) I1的运算结果应该先写入R1,然后再在I2中读取R1的内容作为操作数,所以是发生RAW (“写后读”)相关(2) WAR(3) RAW和WAW两种相关17参考图5.39所示的超标量流水线结构模型,现有如下6条指令序列: I1 LAD R1,B ; M(B)R1,M(B)是存储器单元 I2 SUB R2,Rl ; (R2)-(R1)R2 I3 MUL R3,R4 ; (R3)*(R4)R3 I4 ADD R4,R5 ; (R4)+(R5)R4 I5 LAD R6,A ; M(A)R6,M(A)是存储器单元 I6 ADD R6,R7 ; (R6)+(R7)R6 请画出:(1)按序发射按序完成各段推进情况图。 (2)按序发射按序完成的流水线时空图。解:(1) 按序发射按序完成各段推进情况图如下(仍设F、D段要求成对输入;F、D、W段只需1个周期;加需要2个

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